В России огромные территории заняты слабыми грунтами. Чтобы возводить в этих местах дороги, здания или сооружения, инженеры используют геосинтетику — прочные полимерные материалы, которые укрепляют основание и не дают ему разрушиться. Для безопасности будущих объектов им критически важно знать, как именно материал армирования будет взаимодействовать с грунтом. Проблема в том, что для проведения испытаний в России нет отечественного оборудования. Сегодня при проектировании применяются табличные значения, что часто приводит к перерасходу материалов или, наоборот, недостаточному укреплению. Ученые Пермского Политеха впервые создали отечественную установку, с помощью которой можно оценить поведение геосинтетики в условиях, максимально приближенных к реальным. Разработка позволит анализировать разные типы материалов и выбирать наиболее подходящий для конкретного объекта, что повысит надежность строительства даже на самых сложных территориях.
На разработку получен патент.
Строительство дорог, гражданских и промышленных объектов сегодня ведется повсеместно — на заболоченных территориях, на оползнеопасных склонах, в зонах вечной мерзлоты, пустынях и предгорьях. По некоторым оценкам, слабые грунты покрывают до 80% площади страны. Освоение таких территорий всегда таит значительные риски: обычные насыпи и фундаменты сильно оседают и часто разрушаются, что делает невозможным возведение надежной инфраструктуры без специальных мер укрепления.
Чтобы сохранить устойчивость оснований, все чаще применяют геосинтетику — прочные полимерные материалы разных типов. Например, тонкие полотна, похожие на плотную ткань, или объемные конструкции из листов пластика. Их закладывают на определенную глубину, тем самым создавая новый укрепляющий слой. Он принимает на себя нагрузки от вышележащего грунта, конструкций и техники, распределяет их по большей площади и не дает основанию расползаться в стороны.
Чтобы дорога не просела, а здание не разрушилось, полимерный материал нужно правильно подобрать и уложить. Для этого инженеру необходимо не только знать его характеристики, но и понимать, не потеряет ли армирующий слой контакт с грунтом, так как это может привести к разрушению основания или сооружения. Это значит, что прежде чем применять геосинтетику в строительстве, необходимо проверить не только ее физико-механические свойства, но и то, как она взаимодействует с конкретным грунтом.
Сегодня в России существует национальный стандарт, который описывает, как правильно испытывать такие армирующие материалы. Согласно требованиям ГОСТ, установка для проведения испытаний должна иметь в своем составе жесткий короб с образцом грунта, в который также закладывают геосинтетический материал в горизонтальной плоскости под заданным вертикальным давлением. По результатам определяют, насколько прочно полимерное полотно удерживается в том или ином основании.
Для создания таких испытательных нагрузок необходима специальная конструкция — силовая рама. Однако на сегодняшний день в России отсутствуют отечественные варианты таких установок.
Это значит, что при проектировании оснований зданий, транспортных развязок и дорожных насыпей инженеры в основном пользуются табличными значениями, в которые заложены большие коэффициенты запаса. В результате они либо укладывают геосинтетические материалы со значительным избытком, что приводит к большому перерасходу материалов, либо рискуют использовать недостаточное количество, что несет риски деформаций и разрушения укрепленного основания.
Ученые Пермского Политеха впервые создали отечественную силовую раму для испытаний геосинтетических материалов на вытягивание из грунта. Эта разработка поможет проводить испытания строго по нормативам и точно определять контактные характеристики для обеспечения долговечности дорог, зданий и других объектов.
Исследователи изготовили силовую раму, состоящую из двух перпендикулярных замкнутых контуров (металлических прямоугольных рам), на которой также разместили устройства вертикального нагружения и горизонтального вытягивания, имитирующие реальные нагрузки в грунте. Между рамами они установили жесткий короб с регулируемым зазором, внутрь которого укладывается образец грунта, горизонтально армированный геосинтетиком. Свободный край материала при этом пропускается через зазор короба и закрепляется в специальном зажиме для вытягивания.
Для проверки готовой конструкции мы использовали слой тканого геосинтетического материала: его укладывали в песчаный грунт, который предварительно уплотняли и увлажняли в соответствии с методикой ГОСТ. Далее создавали вертикальное давление, при котором вытягивали материал армирования, фиксируя усилие. Именно этот показатель отражает, насколько прочно геосинтетика удерживается и какую нагрузку сможет выдержать укрепленное ею основание в реальных условиях, — рассказал Максим Казаков, старший преподаватель кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ.
Испытание подтвердило, что конструкция силовой рамы работает надежно. Полученные значения показали четкую закономерность: с увеличением вертикальной нагрузки сопротивление вытягиванию закономерно возрастало. Это означает, что методика работает корректно, а данные можно использовать для дальнейших расчетов при строительстве.
Главное преимущество разработки в том, что она позволяет проводить испытания строго по национальному стандарту. Теперь инженеры могут получать данные испытаний для проектирования сооружений и сравнивать их с табличными значениями характеристик трения, что позволит принимать оптимальное проектное решение, — добавил Вадим Офрихтер, заведующий кафедрой «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ, доктор технических наук.
Использование отечественной силовой рамы для испытания геосинтетики на вытягивание помогает точно определить характеристики взаимодействия материала с грунтом. Применение таких данных при проектировании позволяет подобрать наиболее подходящий материал, заранее оценить риски и избежать дорогостоящих ремонтов или аварийных ситуаций в процессе эксплуатации в течение жизненного цикла сооружения.
Источник: Минобрнауки России
